基于BIM 技术的地源热泵系统施工图深化设计与施工

解敏杰

（山西二建集团有限公司，山西太原 030000）

1 地源热泵系统

随着能源的逐渐消耗，类型窑洞的巢穴形式又重新回到人们的视野，在我国黄土高原上的窑洞的形式，是利用窑洞的土质所特有的物理性质，在夏天利用大地本身的储冷作用，在冬天利用大地的储热作用，从而达到冬暖夏凉。在某种程度上，窑洞可以称之为真正的绿色建筑。

和窑洞类似，地源热泵系统也是充分利用了大地的能量，通过地源热泵系统深埋在地下的换热管道里的传递介质，夏天将储存在大地中的冷量提取出来，和建筑物中的热量进行交换，并将热量储存到大地中。冬天则把夏天储存的热量提取出来，并将冷量储存到大地中，周而复始，源源不断。是完全绿色的一种空调形式。

地源热泵虽有以上的优点，但同时也有不可修复性，施工时候的问题如果没有及时发现，在运行时候进行修复是不可能的。

2 必要性

而在地源热泵工程施工中，室外条件复杂多变，前期土壤勘察不全面，施工时需要因地制宜的情况下，在不违背原设计理念的前提下，结合BIM 技术进行地源热泵系统的室外埋管及空调机房、蓄能池、泵房的优化设计，使其能够满足建设单位的需求和不断变化的施工现场需求；同时，在满足使用功能的前提下，通过深化设计减少施工成本。

同时，地源热泵项目因为其特殊性，业主对专业分包单位能提供的技术服务需求不仅限于按图施工，图纸的深化设计能力成为招标要约的条件渐成惯例，因为原设计图纸在是施工过程中很难满足施工要求，在地源热泵系统的室外埋管及冷冻机房，蓄能池，泵房施工时往往需要因地制宜，针对现场条件实时对原设计图纸进行优化，使其在现实的条件下完美满足功能要求。地源热泵施工在满足施工设计的规定下进行优化，不仅要达到设计的要求，同时还要满足业主对工程的最终投资目标及过程控制的需求。

设计人员在进行地源热泵系统图纸设计时，不会花太多时间关心布局与成本，主要考虑的是系统的功能、美观等功效。同时，在热泵机房进行设计时，因为设备未选型，此时的初步设计只是示意性的给出管线布置，根本无法进行真实有效的机房内部管线设计。而施工单位节约的每一分钱都是成本，将原设计图纸继进行深化设计，使其布局更加合理，管件加工更精确，功效更加完善还有很多的进步空间，也有着强烈的必要性。

3 优化流程

地源热泵深化设计必须依照建设单位提供的由设计院设计的暖通施工图纸进行。其优化流程主要包括以下几个方面：

3.1 岩土热响应测试

地埋管换热器每单位孔深的换热量一般为40～70W/m，波动范围较大，为规避设计风险，设计人员一般都会取最不利工况70W/m 设计，考虑最大的富余量，由此造成地埋管换热器总长度设计过大，引起材料费和安装费用过高，造成浪费。我单位在优化时，首先选择在施工现场的典型位置打10 个测试孔，取得原始土壤热物性资料。通过钻探测试孔，用专业仪器可以计算出竖埋孔每延米的实际换热量，将数据输入到计算机，对全年冷热负荷进行模拟，再适当考虑管群相互直接影响，确定地埋管换热器的总长度，相对于不钻探测试孔进行热物性测试而直接按照最不利工况设计地下换热器，根据测试结果不同，精确岩土热物性测试后，优化设计的地下换热器总长度能够减少20%～40%不等，可以说根据岩土热物性测试孔结果对地埋管换热器数量与长度进行修正是优化设计的关键，如图1 所示。

3.2 基本参数复核

图1 岩土热响应测试

对热泵系统进行冷热平衡复核，计算全年的总冷量与总热量，比值是否符合规范要求。对设计时选用的基本的数据重新进行检查，冲洗复合，如地埋管的流量、系统流程、管道的流速、水泵扬程、水箱容积、容量、末端热量、房间换气次数等；对机房内重要的设备参数进行复核，如软水箱的容积、分集水器的位置、环路集管最不利点的风量、风压、水压平衡、热泵机组配电柜所有出线容量分配及电缆规格的核对等；经过对原施工图纸的掌握及复核各参数，在不违反基本使用功能的情况下，对各个专业进行综合整合设计，提出安装的条件和配合要求。

4 BIM 模型建立

（1）由有丰富现场经验且BIM 软件应用熟练的多名不同专业人员成立BIM 工作小组，将室外场地形状及坡度，场地内已有建筑和预规划建筑物的占地面积及其分布，场地内树木植被、排水沟及室外电缆的分布，场地内已有的、规划修建的其他专业地下管线和地下构筑物的分布及埋深建立详细的BIM 模型，以便确定室外地源换热井的准确位置，室外水平集管的准确敷设位置，室外分集水器的准确位置。

（2）机房管线与末端风管水管优化。

用BIM 技术对机房管线与末端风管水管进行管综深化设计，与结构专业配合进行承重墙的预留洞设计，建立穿结构构件的留洞。在空调机房主管线进行深化设计后，在BIM 模型中还需建立综合支吊架的BIM 模型。

地源热泵系统往往管径庞大、数量繁多、走向复杂、管线堆叠、碰撞点多，我们在其中一个项目的施工中以据原图建模后统计共有碰撞5708 处。通过分析，如若仅应用传统的CAD 二维叠图方法，利用各专业原则性相对位置确定法，只可解决约1000处碰撞问题，且这些解决到的碰撞点均是安装空间充裕很容易调整的地方，而管线错综复杂地方根本无法解决。通过BIM 技术的应用，在三维可视化环境下对机房管线根据系统进行建模，通过软件可以检测出所有碰撞点并将其解决。对比之下，约有2700次返工被提前避免。

图2 管线综合剖面

（3）施工。

将深化设计后的综合图纸经过业主审核再经原设计单位批准后，绘制详细的最符合现场条件的施工图纸，经过技术交底后交与班组进行施工，项目部施工员对劳务队进行BIM 电脑示范，重点复杂部位用BIM 技术进行动画交底，详细解说安装细节。安装后由施工员进行现场参数复核，确保安装数据与交底图纸一致。同时，在施工时采用物联网系统中扫描所贴标签的方式迅速了解敷设进度，现场管理人员只需定时扫描就可以上报进度，减少各个作业面间的往返，也减少了管理人员的数量。施工人员的考核和现场管理均可采用同样的技术降低了管理费用，提高了经济效益。降低了地源热泵工程施工成本支出，降低了建设项目的投资。施工完毕后绘制竣工图，同时将BIM 数据库移交甲方，配合后续运行与维护。

图3 BIM 模型

图4 实际施工安装照片

（4）运行。

基于BIM 的记录模型，同时使用地源热泵机房自动化管理系统和地温监控系统，进行运行监测和维护，设备资产管理，进一步挖掘BIM 技术的管理潜力，降低整个地源热泵系统的技术管理难度，提高BIM 技术的使用价值，降低日常运行中的成本，在实际应用中节约建设和运行成本5%。